应用旋转矩阵的卫星姿态输出反馈机动控制

doi:10.7527/S1000-6893.2016.0114

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应用旋转矩阵的卫星姿态输出反馈机动控制

黄静^1,2, 刘刚^1,2, 刘付成^1,2, 李传江³

1. 上海航天控制技术研究所, 上海 201109;
2. 上海市空间智能控制技术重点实验室, 上海 201109;
3. 哈尔滨工业大学航天学院, 哈尔滨 150001

收稿日期:2016-01-11 修回日期:2016-04-06 出版日期:2016-12-15 发布日期:2016-04-18
通讯作者: 黄静,Tel.:021-24183416,E-mail:huangjing04415@163.com E-mail:huangjing04415@163.com
作者简介:黄静,女,博士,工程师。主要研究方向:航天器姿态与轨道控制,鲁棒控制,最优控制。Tel.:021-24183416,E-mail:huangjing04415@163.com;刘刚,男,博士,工程师。主要研究方向:航天器姿态与轨道控制,鲁棒控制,非线性控制。Tel.:021-24183245,E-mail:unicorn1114@163.com;刘付成,男,博士,研究员。主要研究方向:航天器导航与控制。Tel.:021-24183001,E-mail:liufch@126.com;李传江,男,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:航天器姿态与轨道控制,最优控制。Tel.:0451-86413411-8606,E-mail:chuanjiangli@gmail.com
基金资助:
国家自然科学基金（61304005）

Output feedback attitude maneuver control of satellite using rotation matrix

HUANG Jing^1,2, LIU Gang^1,2, LIU Fucheng^1,2, LI Chuanjiang³

1. Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology, Shanghai 201109, China;
2. Shanghai Key Laboratory of Aerospace Intelligent Control Technology, Shanghai 201109, China;
3. School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

Received:2016-01-11 Revised:2016-04-06 Online:2016-12-15 Published:2016-04-18
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (61304005)

摘要/Abstract

摘要：

针对卫星姿态机动控制问题，提出一种只利用向量测量信息的无角速度反馈的输出反馈控制方法。卫星姿态的指向直接通过旋转矩阵进行描述，而不是先进行参数化过程，避免了由欧拉角、修正的罗德里格参数（MRPs）与四元数等姿态描述方式产生的奇异问题与退绕问题。首先，通过向量测量信息与一组期望姿态向量，引入一个新的姿态指向误差向量，并对其性质进行分析。其次，进一步结合主导滤波器的思想，设计了无需角速度信息的卫星姿态机动控制器，并应用Lyapunov理论，对闭环系统的全局稳定性进行了严格的证明。最后，对所提出的控制算法进行了数值仿真，其结果验证了所设计的输出反馈控制算法的可行性和有效性。

关键词: 刚体卫星, 姿态机动, 旋转矩阵, 输出反馈, 向量测量

Abstract:

An output-feedback attitude maneuver control strategy in the absence of angular velocity feedback is proposed for rigid satellite system by solely and directly using unit-length vector measurements. The orientation of a rigid body is described by a rotation matrix directly, rather than by a parameterization, avoiding the undesirable singular problem and unwinding phenomenon caused by Euler angle, quaternion or the modified Rodrigues parameters (MRPs) representations of the attitude. A new orientation error of the rigid body is computed by the vector measurements and a set of desired vector measurements. By using the lead filter, the velocity-free attitude maneuver control law that ensures set-point regulation is developed. Within the Lyapunov framework, the global stability of the close-loop system is guaranteed. Numerical simulation results demonstrate the successful set-point regulation of the proposed output-feedback control strategy.

Key words: rigid satellite, attitude maneuver, rotation matrix, output feedback, vector measurements

中图分类号:

V442.8

黄静, 刘刚, 刘付成, 李传江. 应用旋转矩阵的卫星姿态输出反馈机动控制[J]. 航空学报, 2016, 37(12): 3774-3782.

HUANG Jing, LIU Gang, LIU Fucheng, LI Chuanjiang. Output feedback attitude maneuver control of satellite using rotation matrix[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2016, 37(12): 3774-3782.

参考文献

[1] WIE B, BARBA P M. Quaternion feedback for spacecraft large angle maneuvers[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1985, 8(3):360-365.
[2] JOSHI S M, KELKAR A G, WEN J T. Robust attitude stabilization of spacecraft using nonlinear quaternion feedback[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1995, 40(10):1800-1803.
[3] WEN J T, KREUTZ-DELGADO K. The attitude control problem[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1991, 36(10):1148-1162.
[4] TSIOTRAS P. Further passivity results for the attitude control problem[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1998, 43(11):1597-1600.
[5] EGELAND O, GODHAVN J M. Passivity based adaptive attitude control of a rigid spacecraft[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1994, 39(4):842-846.
[6] BHAT S P, BERNSTEIN D S. A topological obstruction to continuous global stabilization of rotational motion and the unwinding phenomenon[J]. Systems and Control Letters, 2000, 39(1):63-70.
[7] 胡庆雷, 李理. 考虑输入饱和与姿态角速度受限的航天器姿态抗退绕控制[J]. 航空学报, 2015, 36(4):1259-1266. HU Q L, LI L. Anti-unwinding attitude control of spacecraft considering input saturation and angular velocity constraint[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(4):1259-1266(in Chinese).
[8] BULLO F, MURRAY R M. Tracking for fully actuated mechanical systems:A geometric framework[J]. Automatica, 1999, 35(1):17-34.
[9] CHATURVEDI N A, SANYAL A K, MCCLAMROCH N H. Rigid body attitude control:Using rotation matrices for continuous, singularity-free control laws[J]. IEEE Control Systems, 2011,31(3):30-51.
[10] SANYAL A, FOSBURY A, CHATURVEDI N, et al. Inertia-free spacecraft attitude tracking with disturbance rejection and almost global stabilization[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2009, 32(4):1167-1178.
[11] FORBES J R. Passivity-based attitude control on the special orthogonal group of rigid-body rotations[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2013, 36(6):1596-1605.
[12] ZHENG Z, SONG S M. Cooperative attitude tracking control for multiple spacecraft using vector measurements[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G:Journal of Aerospace Engineering, 2015, 229(13):2375-2388.
[13] LIZARRALDE F, WEN J. Attitude control without angular velocity measurement:A passivity approach[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1996, 41(3):468-472.
[14] 高岱, 吕建婷, 王本利. 航天器有限时间输出反馈姿态控制[J]. 航空学报, 2012, 33(11):2074-2081. GAO D, LYU J T, WANG B L. Finite-time output feedback attitude control of spacecraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2012, 33(11):2074-2081(in Chinese).
[15] ZOU A M, KUMAR K D, HOU Z G. Quaternion-based adaptive output feedback attitude control of spacecraft using chebyshev neural networks[J]. IEEE Transactions on Neural Networks, 2010, 21(9):1457-1471.
[16] BENZIANE L. Attitude estimation & control of autonomous aerial vehicles[D]. Versailles:Université de Versailles-Saint Quentin en Yvelines, 2015:35-54.
[17] HUGHES P C. Spacecraft attitude dynamics[M]. 2nd ed. New York:Dover Publications, Inc., 2004:93-129.
[18] MAHONY R, HAMEL T, PFLIMLIN J M. Nonlinear complementary filters on the special orthogonal group[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2008, 53(5):1203-1218.
[19] CACCAVALE F, VILLANI L. Output feedback control for attitude tracking[J]. Systems & Control Letters, 1999, 38(2):91-98.
[20] KHALIL H K, GRIZZLE J W. Nonlinear systems[M]. 3rd ed. Upper Saddle River:Prentice-Hall, 2002:111-133.

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[1]	鲁明, 陈雪芹, 吴凡, 曹喜滨. 基于二阶全驱系统的航天器姿态避障控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628958-628958.
[2]	许闯, 吴宝林. 输入饱和下多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 327465-327465.
[3]	王卓, 徐瑞, 李朝玉. 递进式路径转移姿态机动快速规划方法[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 325308-325308.
[4]	罗世彬, 吴瑕, 魏才盛. 可重复使用飞行器的保性能姿态跟踪控制方法[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524660-524660.
[5]	胡正高, 赵国荣, 周大旺. 基于未知输入观测器的非线性动态系统故障估计[J]. 航空学报, 2015, 36(11): 3687-3697.
[6]	高岱, 吕建婷, 王本利. 航天器有限时间输出反馈姿态控制[J]. 航空学报, 2012, 33(11): 2074-2081.
[7]	郭延宁, 李传江, 马广富. 基于势函数法的航天器自主姿态机动控制[J]. 航空学报, 2011, 32(3): 457-464.
[8]	王博斌;张伟伟;叶正寅. 基于神经网络模型的动态非线性气动力辨识方法[J]. 航空学报, 2010, 31(7): 1379-1388.
[9]	孙兆伟;叶东;杨正贤;刘源. 基于输出反馈的柔性航天器变结构跟踪控制方法[J]. 航空学报, 2010, 31(5): 1060-1065.
[10]	张绍杰;胡寿松. 基于神经网络的MIMO非线性最小相位系统鲁棒自适应控制[J]. 航空学报, 2008, 29(5): 1302-1307.
[11]	仲维国;崔平远;崔祜涛. 航天器复杂约束姿态机动的自主规划[J]. 航空学报, 2007, 28(5): 1091-1097.
[12]	王鹏;陈万春;殷兴良. 空空导弹大角度姿态反作用喷气控制[J]. 航空学报, 2005, 26(3): 263-267.
[13]	李书;张晓谷;向锦武. 结构控制设计中具有输出反馈最小范数的极点配置方法[J]. 航空学报, 2000, 21(5): 446-449.
[14]	梁锋;陈宗基. 具有期望性能的控制系统设计[J]. 航空学报, 1991, 12(7): 389-394.
[15]	王卫平;顾仲权;朱德懋. 颤振主动抑制控制律的研究[J]. 航空学报, 1986, 7(6): 566-574.